I MATERIALI

3.2.1 Principali caratteristiche esaminate • indice di rifrazione

• coefficiente di trasmissione del calore • densità

• trasparenza alla luce

3.2.1.1. Polimetimetaacrilato PMMA (PLEXIGLAS)

Il PMMA è spesso usato in alternativa al vetro; alcune delle differenze tra i due materiali sono le seguenti:

• le lastre in PMMA possono essere prodotte per estrusione o per colatura

• il PMMA ha un punto di rottura superiore al vetro ed inferiore al policarbonato

• il PMMA è più trasparente del vetro alla luce visibile

• A differenza del vetro, esistono alcune formulazioni del PMMA che non fermano la luce ultravioletta. Queste formulazioni non sono adatte al processo in esame. Invece con formulazioni cosiddette UV protected grazie all’assorbimento da parte del materiale, si evitano il riscaldamento della coltura e danni al DNA della cellula algale

• il PMMA è trasparente alla luce infrarossa fino a 2800 nm, mentre la luce di lunghezze d'onda maggiore viene sostanzialmente bloccata

• Pezzi di PMMA possono essere saldati a freddo usando adesivi a base di cianoacrilati oppure sciogliendone gli strati superficiali con un opportuno solvente - diclorometano o cloroformio. La giuntura che si crea è quasi invisibile e gli spigoli vivi del PMMA possono inoltre essere facilmente lucidati e resi trasparenti; questo aumenta la penetrazione della luce nella coltura. Gli incollaggi professionali vengono effettuati con colle a polimerizzazione da due a cinque componenti; la differenza di qualità con queste colle unita alla tossicità/carcinogenicità della maggior parte dei solventi ha fatto sì che le colle multicomponenti stiano soppiantando le colle monocomponenti.

Nelle tabella 3.1 sono riportate le caratteristiche ottiche e termiche del PMMA colato. Si tratta di un materiale molto adatto per la costruzione di fotobioreattori con geometrie cilindriche, poiché, essendo colato, è privo di imperfezioni superficiali che limiterebbero la penetrazione della luce.

Nella tabella 3.2 si riportano le caratteristiche ottiche e termiche del PMMA estruso. Si tratta di un materiale che può presentare imperfezioni superficiali tipiche dell’estrusione; tuttavia è meno costoso del PMMA colato.

3.2.1.2. Polivinilcloruro PVC Caratteristiche: densità 1.40-1.45 g/cm³. Trasparenza 90% Indice di rifrazione 1.539 Conducibilità termica 0.13 - 0.15 W/m°C

Risulta essere molto sensibile alla luce ed al calore; questi hanno su di esso un effetto degradativo che si manifesta dapprima con l'ingiallimento e (a temperature più elevate, di circa 180 °C) con la decomposizione dalla quale si libera acido cloridrico. Per questa ragione viene stabilizzato. Ad esempio, il PVC plastificato, ovvero addizionato di additivi plastificanti che ne aumentano la morbidezza, è abitualmente stabilizzato con l'aggiunta di formulati contenenti soprattutto sali di calcio (stearato, ricinoleato), bario e zinco.

3.2.1.3. Polietilene a bassa densità LDPE Caratteristiche:

densità 0.910 – 0.940 g/cm³ trasparenza 91% (spesso maggiore) Indice di rifrazione 1.51

Conducibilità termica 0.3 - 0.335 W/m°C

Uno dei pregi di questo materiale è il fatto che sia stato già testato per colture biologiche.

Sono disponibili studi [12] che documentano il suo utilizzo in laboratorio per fotobioreattori da 60L. Inoltre è di facile lavorazione e dal costo contenuto.

3.2.1.4. Policarbonato PC

La trasparenza e l’assenza di colore di questo materiale permettono una permeabilità alla luce dell’89% nello spettro del visibile. Gli UV vengono assorbiti e causano ingiallimento, per cui si

esposta agli agenti atmosferici. La trasparenza del policarbonato, unita alle proprietà meccaniche, fa di esso il sostituto naturale del vetro, a differenza del quale è curvabile a freddo. I policarbonati altamente cristallini fondono a circa 260 °C e sono meno solubili di quelli amorfi, hanno un'alta capacità di concentrare la luce e sono usati per produrre lenti. Di contro presentano il problema di avere una superficie tenera e graffiabile. Le caratteristiche ottiche relative alla trasmissione del calore sono esposte in tabella 3.3.

Tabella 3.3 Caratteristiche del Policarbonato [39]

Il PVC e il LDPE necessitano di una struttura metallica di supporto, invece per il PMMA e il PC sarebbe sufficiente una struttura meno robusta anche in plastica rigida. Questo influisce sui costi di lavorazione e relativi ai materiali della struttura di supporto.

Si riporta la tabella 3.4 che mostra gli impatti ambientali relativi alla produzione dei diversi materiali citati. Si possono valutare le emissioni di anidride carbonica legate al ciclo produttivo di ogni materiale. [25]

Tabella 3.4 [25]

In tabella 3.5 si pongono a confronto tutte le caratteristiche dei materiali precedentemente esaminati. Si noti come materiali dal costo ridotto provochino d’altra parte emissioni di anidride carbonica consistenti durante il ciclo di produzione.

In questo modo, oltre a ricercare le migliori caratteristiche ottiche e termiche, si deve trovare un compromesso fra costi di realizzazione e impatti ambientali legati alla produzione dello specifico

Tabella 3.5 Tabella riassuntiva delle caratteristiche dei materiali esaminati (cfr la conducibilità termica per l’acqua è 0.58 W /m °C) Materiali Densità g /cm3 Trasparenza % Indice di rifrazione Conducibilità termica W/m °C Costo €/m2 Emissioni kg CO2/kg prodotto PMMA c 1.19 92 1.491 0.19 39 3.58 PMMA e 1.18 92 1.491 0.19 34 3.58 PVC 1.40 - 1.45 90 1.539 0.13 - 0.15 6 2 LDPE 0.91 - 0.94 91 1.510 0.3 - 0.335 4 6 PC 1.20 88 1.586 0.20 51 0.173 PC alveolare 1.20 55 1.4 0.02 15 0.173

Per confronto si riportano in tabella 3.6 anche gli indici di rifrazione in diversi mezzi per la trasmissione della luce.

Tabella 3.6 Mezzo Indice di rifrazione ARIA 1.0002926 ACQUA 1.333 VUOTO 1

Il materiale deve avere caratteristiche ottiche che favoriscano il processo fotosintetico; quindi la massima trasparenza alla luce, in particolare alle lunghezze attorno a 430 e 680 nm, nelle quali l’efficienza del processo fotosintetico è maggiore. Le radiazioni UV hanno un effetto nocivo sul DNA delle alghe, pertanto il materiale deve avere un effetto filtrante per queste lunghezze d’onda.

E’ opportuno che il materiale abbia un basso coefficiente di scambio termico, agendo così da isolante per il mezzo di coltura, in modo tale che la termostatazione del bioreattore sia agevole. Dato che il ceppo algale presenta un range termico ottimale di 21-25°C, si vuole evitare il surriscaldamento durante il giorno e il raffreddamento durante la notte. Il riscaldamento nelle ore diurne è dovuto all’assorbimento della radiazione ultravioletta e infrarossa; se il materiale assorbe una grande percentuale della radiazione incidente, che una minore percentuale di

Per questo motivo, bisogna valutare l’indice di rifrazione del materiale e scegliere in modo che la radiazione incidente sia il più possibile rifratta nel mezzo di coltura, cercando che le lunghezze d’onda dannose, siano invece riflesse o assorbite dallo spessore plastico.